DE102020118108A1 - Boost converter for a power supply for an electrical load, and power supply and method for boosting the input voltage in a power supply for an electrical load - Google Patents
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Abstract
Gegenstand der Erfindung ist ein Aufwärtswandler für eine Stromversorgungseinheit mit zwei Hochsetzstellerstufen (HSa, HSb), wobei pro Hochsetzstellerstufe eine Induktivität (L1a, L1b) vorgesehen ist, wobei die Induktivität jeweils an einen Pol der Wechselspannungsquelle (ACin) geschaltet ist und an einen Knotenpunkt (P1a, P1b) zwischen zwei Halbleiterschaltern (S1a, S2a; S1b, S2b). Gemäß der Erfindung ist der erste Halbleiterschalter (S1a, S1b) in Reihe mit einem Messwiderstand (R1a, R1b) geschaltet. Der Aufwärtswandler weist eine Signalerzeugungseinheit (110) zur Erzeugung von Ansteuersignalen für die beiden Halbleiterschalter pro Hochsetzstellerstufe auf, wobei zur Aufwärtswandlung der Eingangsspannung bei positiver Eingangsspannung (Vin) der erste Halbleiterschalter (S1a) geschlossen wird und der zweite Halbleiterschalter (S2a) geöffnet wird, um einen Strom durch die Induktivität (L1a) zu treiben zur Aufmagnetisierung der Induktivität (L1a). Zur Abmagnetisierung wird der erste Halbleiterschalter (S1a) geöffnet und der zweite Halbleiterschalter (S2a) geschlossen und der Siebkondensator (C1) entsprechend aufgeladen. Mit einem Mittel wird der Strom durch den Messwiderstand (R1) erfasst. Erfindungsgemäß weist die Signalerzeugungseinheit (110) eine Ansteuereinheit (113a, 113b) auf, die die Hochsetzstellerstufen mit einer gewählten Phasenverschiebung gegeneinander versetzt ansteuert, und die Periodendauer der Ansteuersignale in der einen Hochsetzstellerstufe (HSa, HSb) regelt und in der wenigstens einen anderen Hochsetzstellerstufe (HSa, HSb) konstant hält oder umgekehrt. Dieser Aufwärtswandler (100) dient z.B. als Leistungsfaktor-Vorregler bei Stromversorgungen.The invention relates to a step-up converter for a power supply unit with two step-up converter stages (HSa, HSb), with one inductor (L1a, L1b) being provided for each step-up converter stage, with the inductor being connected to one pole of the AC voltage source (ACin) and to a node ( P1a, P1b) between two semiconductor switches (S1a, S2a; S1b, S2b). According to the invention, the first semiconductor switch (S1a, S1b) is connected in series with a measuring resistor (R1a, R1b). The step-up converter has a signal generation unit (110) for generating drive signals for the two semiconductor switches per step-up converter stage, with the first semiconductor switch (S1a) being closed and the second semiconductor switch (S2a) being opened to step-up the input voltage when the input voltage (Vin) is positive drive a current through the inductor (L1a) to magnetize the inductor (L1a). For demagnetization, the first semiconductor switch (S1a) is opened and the second semiconductor switch (S2a) is closed and the filter capacitor (C1) is charged accordingly. The current through the measuring resistor (R1) is recorded with a means. According to the invention, the signal generation unit (110) has a drive unit (113a, 113b) which drives the step-up converter stages offset from one another with a selected phase shift and regulates the period of the drive signals in one step-up converter stage (HSa, HSb) and in the at least one other step-up converter stage ( HSa, HSb) keeps constant or vice versa. This step-up converter (100) is used, for example, as a power factor pre-regulator in power supplies.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aufwärtswandler für eine Stromversorgung zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Stromversorgung, die einen Aufwärtswandler gemäß der Erfindung aufweist. Dabei kann der Aufwärtswandler insbesondere als Leistungsfaktor-Vorregler in einem Schaltnetzgerät eingesetzt werden. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Aufwärtswandlung der Eingangsspannung in einer Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers.The present invention relates to a step-up converter for a power supply for supplying an electrical load. The invention further relates to a power supply comprising a boost converter according to the invention. In this case, the step-up converter can be used in particular as a power factor pre-regulator in a switched-mode power supply. The invention also relates to a method for step-up conversion of the input voltage in a power supply of an electrical consumer.
Stromversorgungen sind für vielfältige Bereiche und Einsatzzwecke erforderlich. Da der Begriff Stromversorgung vielfältig verwendet wird, wird im Folgenden der Begriff Stromrichter verwendet. Sie haben die Aufgabe, den Stromfluss zwischen Stromquelle und Last zu steuern oder von einer Stromart in eine andere umzuformen. Sie gehören zum Teilgebiet der Leistungselektronik innerhalb der Elektrotechnik. Es gibt folgende Arten von Stromrichtern: Gleichrichter, Wechselrichter, Gleichstrom-Umrichter und Wechselstrom-Umrichter. Zu diesen verschiedenen Stromrichtern gehören auch die Netzgeräte, die auch als Netzteile bezeichnet werden. Sie haben die Aufgabe, elektronische Betriebsmittel mit einer Gleichspannung zu versorgen. Man unterscheidet lineare Netzgeräte und Schaltnetzgeräte. Die Schaltnetzgeräte gehören gleichzeitig zu den geregelten Netzgeräten.Power supplies are required for a wide range of areas and purposes. Since the term power supply is used in many ways, the term converter is used below. Their job is to control the flow of current between the power source and the load, or to convert it from one type of current to another. They belong to the sub-area of power electronics within electrical engineering. There are the following types of power converters: rectifiers, inverters, DC converters and AC converters. These different power converters also include the power supply units, which are also referred to as power supply units. They have the task of supplying electronic equipment with direct current. A distinction is made between linear power supplies and switched-mode power supplies. The switched-mode power supplies also belong to the regulated power supplies.
Die
Für Netzgeräte, die für Leistungsbereiche von 75 W und mehr ausgelegt sind, ist es Vorschrift, dass sie mit der PFC-Technik, entsprechend Power Factor Correction ausgestattet werden, um Rückwirkungen auf das Stromversorgungsnetz durch Erzeugen von Oberschwingungen zu vermeiden. Dies wird auch in der europäischen Norm EN61000-3-2 definiert. Dafür wird häufig eine aktive PFC-Schaltung eingesetzt. Diese besteht aus einer Art zusätzliches Schaltnetzteil, das dem eigentlichen vorgeschaltet ist, und dafür sorgt, dass der aufgenommene Strom der sinusförmigen Netzspannung entspricht. Der Strom folgt dadurch einem Verlauf, wie ihn ein Widerstand an der aktuellen Netzspannung hervorrufen würde. Somit wird bei einer nicht genau sinusförmigen Netzspannung, wie sie in Stromnetzen häufig vorkommt, der tatsächliche Verlauf - nicht der idealisierte - der Netzspannung nachgefahren. Der Leistungsfaktor bleibt dabei nahe bei Eins und es entstehen weniger Oberschwingungen. Diese könnten sich sonst „Aufschaukeln“ und zur Überlastung des Stromnetzes führen. Der Leistungsfaktor gibt dabei das Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung an. Ist die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung Null, sind Wirkleistung und Scheinleistung gleich und der Leistungsfaktor bleibt bei Eins. Wenn zwischen Spannung und Strom merkliche Phasenunterschiede bestehen, fließt Leistung zurück zum Elektrizitätswerk und der Leistungsfaktor sinkt unter Eins. Aktive PFC-Schaltungen bestehen in der Regel aus einem Gleichrichter mit direkt nachgeschaltetem Aufwärtswandler, der einen Kondensator 3 mit großer Kapazität auf eine Spannung oberhalb der Scheitelspannung der Netzwechselspannung, z.B. 400 V auflädt. Aus diesem wird dann der eigentliche Verbraucher (Schaltnetzteil oder z. B. elektronisches Vorschaltgerät von Leuchtstofflampen) versorgt. Ein Aufwärtswandler wird auch als Hochsetzsteller bezeichnet. Es handelt sich um einen Sperrwandler, bei dem eine Spule einen Strom durch die Last treibt, wenn der Schalttransistor sperrt.For power supply units that are designed for power ranges of 75 W and more, it is mandatory that they be equipped with PFC technology, corresponding to power factor correction, in order to avoid repercussions on the power supply network through the generation of harmonics. This is also defined in the European standard EN61000-3-2. An active PFC circuit is often used for this. This consists of a kind of additional switched-mode power supply, which is connected upstream of the actual one and ensures that the current drawn corresponds to the sinusoidal mains voltage. As a result, the current follows a course that would be caused by a resistance in the current mains voltage. In this way, if the mains voltage is not exactly sinusoidal, as is often the case in power grids, the actual progression - not the idealized one - of the mains voltage is traced. The power factor remains close to unity and there are fewer harmonics. Otherwise, they could "build up" and overload the power grid. The power factor indicates the ratio of active power to apparent power. If the phase shift between current and voltage is zero, real power and apparent power are equal and the power factor remains at unity. When there is a noticeable phase difference between voltage and current, power flows back to the utility and the power factor drops below unity. Active PFC circuits usually consist of a rectifier with a step-up converter connected directly downstream, which charges a large-
Die
In der
In besonders verlustoptimierten Anwendungen kommt an Stelle eines konventionellen Aufwärtswandlers gem.
Die zeitlichen Zusammenhänge, die für die Schaltung gem.
In der
Die Bedingung für das Abschalten von S1 und das Einschalten von S2 ist in diesem Fall das Überschreiten der Stromschwelle Ih des Drosselstroms IL. Dabei wird die Stromschwelle Ih für den jeweiligen Arbeitspunkt von einem Stromregler vorgegeben. Die Bedingung für das Abschalten von S2 und das Einschalten von S1 ist in diesem Fall das Unterschreiten der Stromschwelle Il des Drosselstroms IL. Die Stromschwelle Il ist statisch vorgegeben und deren Lage sorgt für einen vollständiges Umladen von der Kapazität COsc des Halbleiterschalter S1.In this case, the condition for switching off S1 and switching on S2 is that the current threshold I h of the inductor current I L is exceeded. The current threshold I h for the respective operating point is specified by a current controller. In this case, the condition for switching off S2 and switching on S1 is that the inductor current I L falls below the current threshold I L . The current threshold I l is statically predetermined and its position ensures complete charge reversal from the capacitance C Osc of the semiconductor switch S1.
Dabei bleibt im Gegensatz zur Schaltung in
Einzelheiten zu diesem Ansteuerverfahren sind in den folgenden Dokumenten
Ein alternatives Verfahren zur Generierung der Ansteuersignale für die Halbleiterschalter S1 und S2 ist aus der Doktorarbeit
Aus dem Dokument
Bei Anwendung einer Hochsetzstellerschaltung zur Power Factor Correction (PFC), wird bei größer benötigten Leistungen eine zweistufige Variante eingesetzt. Solche Aufwärtswandler sind für höhere Leistungsklassen ab ca. 1 kW Leistung interessant. Diese so genannte „Interleaved“-PFC-Schaltung lässt sich auch als Bridgeless-Topologie ausführen, wie in der Patentschrift
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Aufwärtswandler für Stromversorgungen bereitzustellen, der es ermöglicht die beiden Hochsetzstellerstufen so zu betreiben, dass die entstehenden Ripple-Ströme, die zusammen aus dem Netz aufgenommen werden, möglichst gering ausfallen. Zusätzlich sollen beide Hochsetzstellerstufen möglichst verlustarm schalten. Ebenfalls soll eine möglichst günstige Strommessung mit Hilfe nur eines Messwiderstandes im Strompfad pro Hochsetzstellerstufe mit geringer Zusatzbeschaltung für die Erfassung des Stroms ausreichen.It is therefore the object of the invention to provide a step-up converter for power supplies which enables the two step-up converter stages to be operated in such a way that the resulting ripple currents, which are taken together from the network, are as small as possible. In addition, both step-up converter stages should switch with as little loss as possible. Likewise, a current measurement that is as favorable as possible using only one measuring resistor in the current path per step-up converter stage with little additional circuitry should be sufficient for detecting the current.
Diese Aufgabe wird durch einen Aufwärtswandler gemäß Anspruch 1, eine Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers gemäß Anspruch 14 und ein Verfahren zur Aufwärtswandlung der Eingangsspannung in einer Stromversorgung gemäß Anspruch 16 gelöst.This object is achieved by a boost converter according to
Die abhängigen Ansprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung entsprechend der nachfolgenden Beschreibung.The dependent claims contain advantageous developments and improvements of the invention according to the following description.
Um dieses Problem zu lösen wird erfindungsgemäß vorgeschlagen einerseits den Schaltzyklus der wenigstens einen zweiten Stufe zur ersten Stufe um eine gewählte Phasenverschiebung gegeneinander versetzt anzusteuern. Gleichzeitig wird die Aufmagnetisierungszeit in der ersten Stufe während einer Halbwelle der Eingangsspannung konstant gehalten, und die Abmagnetisierungszeit angepasst, um den gewünschten sinusförmigen Stromverlauf in der Induktivität zu erreichen. In der wenigstens einen zweiten Stufe wird dagegen die Periodendauer konstant gehalten und die Aufmagnetisierungszeit angepasst. So ist es möglich ein verlustarmes Schalten in den wenigstens zwei Hochsetzstellerstufen zu erreichen und eine Kompensation der Rippleströme aus den wenigstens zwei Hochsetzstellerstufen, die zusammen aus dem Netz aufgenommen werden.In order to solve this problem, it is proposed according to the invention to control the switching cycle of the at least one second stage offset from the first stage by a selected phase shift. At the same time, the magnetization time in the first stage is kept constant during a half-wave of the input voltage, and the demagnetization time is adjusted in order to achieve the desired sinusoidal current curve in the inductance. In contrast, in the at least one second stage, the period duration is kept constant and the magnetization time is adjusted. It is thus possible to achieve low-loss switching in the at least two step-up converter stages and to compensate for the ripple currents from the at least two step-up converter stages, which are taken together from the network.
In einer generellen Ausführungsform betrifft die Erfindung einen Aufwärtswandler für eine Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers, der mit wenigstens zwei Hochsetzstellerstufen ausgestattet ist. Dabei weist der Aufwärtswandler eine brückenlose Gleichrichterschaltung, und einen Siebkondensator auf. Pro Hochsetzstellerstufe ist eine Induktivität vorgesehen, wobei die Induktivität jeweils an einen Pol der Wechselspannungsquelle geschaltet ist und an einen Knotenpunkt zwischen zwei Halbleiterschaltern. Dabei ist der erste Halbleiterschalter pro Hochsetzstellerstufe in Reihe mit einem Messwiderstand geschaltet. Der Aufwärtswandler ist mit einer Signalerzeugungseinheit ausgestattet, die Ansteuersignale für die beiden Halbleiterschalter pro Hochsetzstellerstufe erzeugt, wobei zur Aufwärtswandlung der Eingangsspannung bei positiver Eingangsspannung pro Hochsetzstellerstufe der erste Halbleiterschalter geschlossen wird und der zweite Halbleiterschalter geöffnet wird, um einen Strom durch die Induktivität zu treiben zur Aufmagnetisierung der Induktivität. Zur Abmagnetisierung der Induktivität in den Hochsetzstellerstufen wird jeweils der erste Halbleiterschalter geöffnet und der zweite Halbleiterschalter geschlossen und dabei der Siebkondensator entsprechend geladen. In einer bevorzugten Ausprägung ist pro Hochsetzstellerstufe der erste Halbleiterschalter in Reihe mit einem Messwiderstand geschaltet zur Messung des Stroms, der durch den ersten Halbleiterschalter fließt. Die Signalerzeugungseinheit weist ein Mittel zur Erfassung des Stroms durch den jeweiligen Messwiderstand der jeweiligen Hochsetzstellerstufe auf. Die Erfassung des Stroms durch den Messwiderstand geschieht in einer vorteilhaften Ausgestaltung in vorteilhafter Weise zum Ende der Phase zur Abmagnetisierung der Induktivität. Die Erfindung bietet den Vorteil, dass ein möglichst verlustloses Schalten der Halbleiterschalter möglich wird. Besonders störend für ein verlustloses Schalten ist nämlich die Kapazität des Halbleiterschalters in den Hochsetzstellerstufen. Sie bewirkt eine Spannung während des Schaltvorgangs, die zusammen mit dem verbleibenden Stromfluss in dem Halbleiterschalter zu einer Verlustleistung führt. Um verlustlos zu schalten, ist die möglichst vollständige Entladung der Kapazität des Halbleiterschalter erforderlich. Dafür ist eine Strommessung erforderlich. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung liegt darin, dass ein einfacher Messwiderstand für die Strommessung ausreicht. Eine besonders vorteilhafte Maßnahme besteht darin, dass die Signalerzeugungseinheit eine Ansteuereinheit aufweist, die dafür ausgelegt ist die Hochsetzstellerstufen mit einer gewählten Phasenverschiebung gegeneinander versetzt anzusteuern. Bei zwei Hochsetzstellerstufen ist z.B. eine Phasenverschiebung von 180° optimal. Damit wird erreicht, dass die Ripple-Ströme (auch Brummstrom genannt), die von beiden Stufen in den Regelzyklen, aus dem Netz aufgenommen werden, sich möglichst gut kompensieren, so dass nur noch eine geringe Restwelligkeit in der resultierenden Stromaufnahme übrig bleibt. Gleichzeitig ist die Ansteuereinheit dafür ausgelegt die Periodendauer der Ansteuersignale in der einen Hochsetzstellerstufe zu regeln und in der wenigstens einen anderen Hochsetzstellerstufe konstant zu halten, und die Aufmagnetisierungszeit in der wenigstens einen anderen Hochsetzstellerstufe zu regeln und in der ersten Hochsetzstellerstufe konstant zu halten. Dies hat den Vorteil, dass die gewünschte Phasenverschiebung zwischen den Ansteuersignalen für die Minimierung der Ripple-Ströme erhalten bleibt und das verlustlose Schalten in den wenigstens zwei Hochsetzstellerstufen ermöglicht wird.In a general embodiment, the invention relates to a step-up converter for a power supply of an electrical consumer, which is equipped with at least two step-up converter stages. In this case, the step-up converter has a bridgeless rectifier circuit and a filter capacitor. An inductor is provided for each step-up converter stage, with the inductor being connected to one pole of the AC voltage source and to a node between two semiconductor switches. In this case, the first semiconductor switch per step-up converter stage is connected in series with a measuring resistor. The step-up converter is equipped with a signal generation unit that generates control signals for the two semiconductor switches per step-up converter stage, with the first semiconductor switch being closed and the second semiconductor switch being opened for step-up conversion of the input voltage when the input voltage is positive for each step-up converter stage in order to drive a current through the inductance for magnetization the inductance. To demagnetize the inductance in the step-up converter stages, the first semiconductor switch is opened and the second semiconductor switch is closed, and the filter capacitor is charged accordingly. In a preferred embodiment, the first semiconductor switch per step-up converter stage is connected in series with a measuring resistor to measure the current flowing through the first semiconductor switch. The signal generation unit has a means for detecting the current through the respective measuring resistor of the respective step-up converter stage. In an advantageous embodiment, the current through the measuring resistor is detected advantageously at the end of the phase for demagnetizing the inductance. The invention offers the advantage that it is possible to switch the semiconductor switches with as little loss as possible. The capacitance of the semiconductor switch in the step-up converter stages is particularly disruptive for lossless switching. It causes a voltage during the switching process which, together with the remaining current flow in the semiconductor switch, leads to power loss. In order to switch without losses, the capacitance of the semiconductor switch must be discharged as completely as possible. A current measurement is required for this. A particular advantage of the circuit according to the invention is that a simple measuring resistor is sufficient for measuring the current. A particularly advantageous measure is that the signal generation unit has a control unit that is designed for this is to control the step-up converter stages with a selected phase shift offset from one another. With two step-up converter stages, for example, a phase shift of 180° is optimal. This ensures that the ripple currents (also known as ripple current), which are drawn from the mains by both stages in the control cycles, compensate as well as possible, so that only a small residual ripple remains in the resulting current consumption. At the same time, the drive unit is designed to regulate the period of the drive signals in one step-up converter stage and to keep it constant in the at least one other step-up converter stage, and to regulate the magnetization time in the at least one other step-up converter stage and to keep it constant in the first step-up converter stage. This has the advantage that the desired phase shift between the drive signals for minimizing the ripple currents is retained and lossless switching in the at least two step-up converter stages is made possible.
Eine erweiterte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass zur Aufwärtswandlung der Eingangswechselspannung bei negativer Eingangsspannung pro Hochsetzstellerstufe der erste Halbleiterschalter geöffnet wird und der zweite Halbleiterschalter geschlossen wird um einen Strom durch die Induktivität zu treiben zur Aufmagnetisierung der Induktivität, und zur Abmagnetisierung der Induktivität der erste Halbleiterschalter geschlossen wird und der zweite Halbleiterschalter geöffnet wird. In der Abmagnetisierungsphase wird der Siebkondensator entsprechend geladen. Die Erfassung des Stroms durch den Messwiderstand geschieht für diese Ausgestaltung in vorteilhafter Weise zum Ende der Phase zur Abmagnetisierung der Induktivität. Diese Variante der Erfindung ermöglicht verlustloses Schalten der Halbleiterschalter durch Anpassen der Ansteuersignale der Halbleiterschalter auch bei Anliegen der negativen Halbwelle der Eingangswechselspannung. So ermöglicht die Erfindung hohe Leistungswerte bei Verzicht auf eine Vollbrückengleichrichtung, die zu einem pulsierenden Netzstrom mit einem hohen Oberschwingungsgehalt führt.An extended embodiment of the invention consists in the step-up conversion of the AC input voltage when the input voltage is negative for each step-up converter stage, the first semiconductor switch is opened and the second semiconductor switch is closed in order to drive a current through the inductance to magnetize the inductance and to demagnetize the inductance of the first semiconductor switch is closed and the second semiconductor switch is opened. In the demagnetization phase, the filter capacitor is charged accordingly. For this configuration, the current through the measuring resistor is advantageously detected at the end of the phase for demagnetizing the inductance. This variant of the invention enables lossless switching of the semiconductor switches by adapting the drive signals of the semiconductor switches even when the negative half-cycle of the AC input voltage is present. In this way, the invention enables high power values without full-bridge rectification, which leads to a pulsating mains current with a high harmonic content.
Für das möglichst verlustlose Schalten ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Ansteuereinheit eine Berechnungseinheit aufweist, die die Regelzykluszeit für die Phasen für Aufmagnetisierung und Abmagnetisierung pro Regelzyklus in Abhängigkeit von der Eingangsspannung und Ausgangsspannung vorausberechnet. Ein Regelzyklus besteht dabei aus den Phasen für Aufmagnetisierung und Abmagnetisierung. Dabei weist die Signalerzeugungseinheit weiterhin eine Regelungsstufe auf, die basierend auf der Differenz zwischen dem gemessenen Stromwert durch den Messwiderstand und einem Strom-Referenzwert einen Korrekturwert für die Regelzykluszeit berechnet. So können verschiedene Faktoren, die für eine genauere Berechnung der Regelzykluszeit erforderlich wären unberücksichtigt gelassen werden. Manche Faktoren, wie Bauteilstreuungen, sind unvermeidlich und könnten nur durch großen Aufwand erfasst werden. Außerdem könnten einige Faktoren alterungsbedingt sein, was noch mehr Aufwand für deren Berücksichtigung bedeutet.For switching with as little loss as possible, it is also advantageous if the control unit has a calculation unit that precalculates the control cycle time for the phases for magnetization and demagnetization per control cycle as a function of the input voltage and output voltage. A control cycle consists of the phases for magnetization and demagnetization. The signal generation unit also has a control stage that calculates a correction value for the control cycle time based on the difference between the measured current value through the measuring resistor and a current reference value. In this way, various factors that would be required for a more accurate calculation of the control cycle time can be ignored. Some factors, such as component scatter, are unavoidable and could only be recorded with great effort. Also, some factors could be age-related, which requires even more effort to account for.
Es ist besonders vorteilhaft für das verlustlose Schalten, wenn der Korrekturwert in einer ersten Zeitgebereinheit der Signalerzeugungseinheit für den nachfolgenden Regelzyklus zur Anwendung kommt, so dass die Zeitgebereinheit die Regelzykluszeit entsprechend verkürzt oder verlängert. Mit der ersten Zeitgebereinheit wird die Dauer des Regelzyklus bestimmt.It is particularly advantageous for lossless switching if the correction value is used in a first timer unit of the signal generation unit for the subsequent control cycle, so that the timer unit correspondingly shortens or lengthens the control cycle time. The duration of the control cycle is determined with the first timer unit.
Es ist weiterhin vorteilhaft, dass die Signalerzeugungseinheit eine weitere Regelungsstufe aufweist, die aus der Differenz zwischen vorgegebener Ausgangsspannung und gemessener Ausgangsspannung eine Aufmagnetisierungszeit berechnet, die in der wenigstens einen ersten Hochsetzstellerstufe zur Anwendung kommt. Dies entspricht einem Spannungsregler, der eine Regelgröße ausgibt, um die Ausgangsspannung konstant zu halten.It is also advantageous that the signal generation unit has a further control stage, which calculates a magnetization time from the difference between the specified output voltage and the measured output voltage, which is used in the at least one first step-up converter stage. This corresponds to a voltage regulator that outputs a controlled variable to keep the output voltage constant.
Für einen Aufwärtswandler mit zwei Hochsetzstellerstufen besteht eine vorteilhafte Maßnahme darin, dass die Berechnungseinheit weiterhin so ausgelegt ist basierend auf der Differenz zwischen dem gemessenen Stromwert durch den Messwiderstand in der ersten Hochsetzstellerstufe und dem gemessenen Stromwert durch den Messwiderstand in der zweiten Hochsetzstellerstufe einen Korrekturwert für die Aufmagnetisierungszeit zu berechnen, der in der zweiten Hochsetzstellerstufe zur Anwendung kommt. Mit dem ersten Zeitgeber wird die Regelzykluszeit für die erste und zweite Hochsetzstellerstufe eingestellt. Um die 180° Phasenverschiebung zwischen beiden Hochsetzstellerstufen zu erreichen, wird bei Erreichen des halben Wertes des eingestellten Zeitgebers das Ansteuersignal für die zweite Stufe zurückgesetzt und das Ansteuersignal für die erste Stufe erst zum Ende des programmierten Zeitgeber-Wertes. Würde man es dabei belassen, wäre die Phasenverschiebung zwar vorhanden, aber so wäre nicht gewährleistet, dass der Drosselstrom in der zweiten Hochsetzstellerstufe den gleichen unteren Schwellenwert hält wie der Strom in der ersten Hochsetzstellerstufe. Dann wäre für diese Hochsetzstellerstufe kein verlustfreies Schalten gleicher Güte möglich. Da das Regelverfahren der ersten Hochsetzstellerstufe Einfluss nimmt auf die Periodendauer des Schalzyklus (d.h. auf die Abmagnetisierungszeit) und darüber die 180° Phasenverschiebung gesteuert wird, ist es deshalb vorteilhaft, das Regelverfahren für die zweite Hochsetzstellerstufe so abzuwandeln, dass die Aufmagnetisierungszeit geregelt wird und die Regelzykluszeit konstant gehalten wird. So kann der gleiche untere Schwellwert für den Strom gehalten werden, wie in der ersten Hochsetzstellerstufe und gleichzeitig die gewünschte Phasendifferenz eingehalten werden.For a step-up converter with two step-up converter stages, an advantageous measure is that the calculation unit is still designed based on the difference between the measured current value through the measuring resistor in the first step-up converter stage and the measured current value through the measuring resistor in the second step-up converter stage, a correction value for the magnetization time to be calculated, which is used in the second step-up converter stage. The control cycle time for the first and second step-up converter stage is set with the first timer. In order to achieve the 180° phase shift between the two step-up converter stages, the drive signal for the second stage is reset when half the value of the set timer is reached and the drive signal for the first stage only at the end of the programmed timer value. If you left it at that, the phase shift would exist, but it would not be guaranteed that the inductor current in the second step-up converter stage would have the same lower threshold value as the current in the first step-up converter stage. Loss-free switching of the same quality would then not be possible for this step-up converter stage. Since the control method of the first step-up converter stage influences the period of the switching cycle (ie the demagnetization time) and the 180° phase shift is controlled via this, it is therefore advantageous to use the control method for the second high Modify the converter stage in such a way that the magnetization time is controlled and the control cycle time is kept constant. In this way, the same lower threshold value for the current can be maintained as in the first step-up converter stage, and at the same time the desired phase difference can be maintained.
Zur Erzeugung der Ansteuersignale für die Halbleiterschalter ist es vorteilhaft, wenn die Signalerzeugungseinheit eine zweite Zeitgebereinheit aufweist, an die die berechnete Aufmagnetisierungszeit weitergeleitet wird, in der die berechnete Aufmagnetisierungszeit für eine Anzahl nachfolgender Regelzyklen für die erste Hochsetzstellerstufe zur Anwendung kommt. Die Ansteuersignale werden in Form von PWM-Signalen erzeugt. Durch die getrennten Zeitgebereinheiten kann das Tastverhältnis der PWM-Signale variabel eingestellt werden.To generate the control signals for the semiconductor switches, it is advantageous if the signal generation unit has a second timer unit to which the calculated magnetization time is forwarded, in which the calculated magnetization time is used for a number of subsequent control cycles for the first step-up converter stage. The control signals are generated in the form of PWM signals. The duty cycle of the PWM signals can be set variably due to the separate timer units.
Diesbezüglich ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Signalerzeugungseinheit eine dritte Zeitgebereinheit aufweist, an die die korrigierte Aufmagnetisierungszeit weitergeleitet wird, in der die korrigierte Aufmagnetisierungszeit für den nachfolgenden Regelzyklus für die zweite Hochsetzstellerstufe zur Anwendung kommt.In this regard, it is also advantageous if the signal generation unit has a third timer unit to which the corrected magnetization time is forwarded, in which the corrected magnetization time for the subsequent control cycle for the second step-up converter stage is applied.
Dabei besteht eine vorteilhafte Variante darin, dass die Anzahl der Regelzyklen, für die die berechnete Aufmagnetisierungszeit zur Anwendung kommt, für eine Halbwelle der Eingangswechselspannung gültig ist. Die Aufmagnetisierungszeit wird dabei in vorteilhafter Weise in den Regelzyklen über eine Halbwelle der Eingangswechselspannung konstant gehalten, während die Abmagnetisierungszeit angepasst wird. Dies sorgt dafür, dass der Strom durch die Induktivität ebenfalls sinusförmig wird, wenn die Eingangswechselspannung sinusförmig ist.In this case, an advantageous variant consists in the number of control cycles for which the calculated magnetization time is used being valid for one half-wave of the input AC voltage. The magnetization time is advantageously kept constant in the control cycles over a half-cycle of the AC input voltage, while the demagnetization time is adjusted. This causes the current through the inductor to also become sinusoidal when the AC input voltage is sinusoidal.
Dafür ist es weiterhin vorteilhaft, dass die Signalerzeugungseinheit mit einer Eingangswechselspannungs-Erfassungseinheit ausgestattet ist, die zur Ermittlung der Phasenlage der Eingangswechselspannung eingerichtet ist, und die Information über die Phasenlage, insbesondere ob die positive Halbwelle oder negative Halbwelle der Eingangswechselspannung anliegt, an eine Konfigurationseinheit der Signalerzeugungseinheit liefert. Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Aufwärtswandlers ist für die positive und negative Halbwelle der Eingangswechselspannung unterschiedlich. Deshalb ist die Erfassung der Polarität der Eingangswechselspannung vorteilhaft.It is also advantageous for the signal generation unit to be equipped with an input AC voltage detection unit, which is set up to determine the phase position of the input AC voltage, and the information about the phase position, in particular whether the positive half-cycle or negative half-cycle of the input AC voltage is present, to a configuration unit of the Signal generation unit supplies. The mode of operation of the step-up converter according to the invention is different for the positive and negative half-wave of the AC input voltage. Therefore, detecting the polarity of the AC input voltage is advantageous.
Diesbezüglich besteht eine weitere vorteilhafte Variante darin, dass die Konfigurationseinheit eingerichtet ist eine Anzahl der Komponenten der Signalerzeugungseinheit zu konfigurieren für den Betrieb bei positiver Eingangsspannung oder bei negativer Eingangsspannung, je nachdem was die Information über die Polarität der Eingangswechselspannung angibt. Es ist üblich die verschiedenen Komponenten über Registereinträge zu konfigurieren, was von der Konfigurationseinheit vorgenommen werden kann.In this regard, a further advantageous variant is that the configuration unit is set up to configure a number of the components of the signal generation unit for operation with a positive input voltage or with a negative input voltage, depending on what the information about the polarity of the AC input voltage indicates. It is common to configure the various components via register entries, which can be done by the configuration unit.
Zur Erfassung des Stroms bei der Entladung der Kapazität des Halbleiterschalters ist es vorteilhaft den Messwiderstand in der wenigstens ersten und zweiten Hochsetzstellerstufe jeweils zwischen den ersten Halbleiterschalter und der Rückleitung zur Eingangswechselspannungsquelle, an die die Induktivität nicht angeschlossen ist, zu schalten.To detect the current when the capacitance of the semiconductor switch is discharged, it is advantageous to connect the measuring resistor in the at least first and second step-up converter stage between the first semiconductor switch and the return line to the input AC voltage source to which the inductance is not connected.
Typischerweise wird in Aufwärtswandlern als Induktivität eine Drosselspule eingesetzt. Diese kann durch Anzahl der Windungen und Strecken oder Stauchen und geometrische Gestaltung genau angepasst werden.A choke coil is typically used as an inductance in step-up converters. This can be precisely adjusted by the number of turns and stretches or compression and geometric design.
In einer weiteren Ausprägung besteht die Erfindung in einer Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers, die einen erfindungsgemäßen Aufwärtswandler aufweist. Der erfindungsgemäße Aufwärtswandler kann dabei besonders vorteilhaft als Aufwärtswandler zur Leistungsfaktor-Vorregelung in der Stromversorgung dienen.In a further embodiment, the invention consists in a power supply for an electrical consumer, which has a step-up converter according to the invention. The step-up converter according to the invention can be used particularly advantageously as a step-up converter for power factor pre-regulation in the power supply.
Solche Leistungsfaktor-Vorregelungsstufen lassen sich besonders vorteilhaft in Schaltnetzgeräten einsetzen.Such power factor pre-regulation stages can be used particularly advantageously in switched-mode power supplies.
In einer weiteren Ausprägung betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Aufwärtswandlung der Eingangsspannung in einer Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers, die einen mehrstufigen Aufwärtswandler mit wenigstens zwei Hochsetzstellerstufen aufweist. Es ist eine Gleichrichterschaltung und ein Siebkondensator vorgesehen. Dabei wird pro Hochsetzstellerstufe eine Induktivität vorgesehen, wobei die Induktivität jeweils an einen Pol der Wechselspannungsquelle geschaltet ist und an einen Knotenpunkt zwischen zwei Halbleiterschaltern. Weiterhin wird dabei der erste Halbleiterschalter pro Hochsetzstellerstufe in Reihe mit einem Messwiderstand geschaltet. Von einer Signalerzeugungseinheit werden Ansteuersignale für die beiden Halbleiterschalter pro Hochsetzstellerstufe erzeugt, wobei zur Aufwärtswandlung der Eingangsspannung bei positiver Eingangsspannung pro Hochsetzstellerstufe der erste Halbleiterschalter geschlossen wird und der zweite Halbleiterschalter geöffnet wird, um einen Strom durch die Induktivität zu treiben zur Aufmagnetisierung der Induktivität. Zur Abmagnetisierung der Induktivität wird der erste Halbleiterschalter geöffnet und der zweite Halbleiterschalter geschlossen und der Siebkondensator entsprechend geladen. Der Strom durch den jeweiligen Messwiderstand wird von der Signalerzeugungseinheit erfasst. Das Verfahren kennzeichnet sich dadurch aus, dass die Signalerzeugungseinheit eine Ansteuereinheit aufweist, von der die Hochsetzstellerstufen mit einer gewählten Phasenverschiebung gegeneinander versetzt angesteuert werden, wobei die Periodendauer der Ansteuersignale in der einen Hochsetzstellerstufe von der Ansteuereinheit geregelt wird und in der wenigstens einen anderen Hochsetzstellerstufe konstant gehalten wird, und die Aufmagnetisierungszeit in der wenigstens einen anderen Hochsetzstellerstufe geregelt wird und in der ersten Hochsetzstellerstufe konstant gehalten wird.In a further embodiment, the invention relates to a method for step-up conversion of the input voltage in a power supply of an electrical consumer, which has a multi-stage step-up converter with at least two step-up converter stages. A rectifier circuit and a filter capacitor are provided. In this case, an inductor is provided for each step-up converter stage, with the inductor being connected to one pole of the AC voltage source and to a node between two semiconductor switches. Furthermore, the first semiconductor switch per step-up converter stage is connected in series with a measuring resistor. Control signals for the two semiconductor switches per step-up converter stage are generated by a signal generation unit, with the first semiconductor switch being closed for step-up conversion of the input voltage when the input voltage is positive for each step-up converter stage, and the second semiconductor switch being opened in order to drive a current through the inductance to magnetize the inductance. To demagnetize the inductance, the first semiconductor switch is opened and the second semiconductor switch is closed and the filter capacitor is charged accordingly. The current through the respective measuring resistor is recorded by the signal generation unit. The method is characterized in that the signal generation unit has a drive unit, by which the step-up converter stages are driven offset with respect to one another with a selected phase shift, the period of the drive signals in one step-up converter stage being controlled by the drive unit and kept constant in the at least one other step-up converter stage is, and the magnetization time is regulated in the at least one other step-up converter stage and is kept constant in the first step-up converter stage.
Diesbezüglich besteht ein besonderer Vorteil darin, dass bei diesem Verfahren der Strom durch den Messwiderstand zu vorgegebenen Zeiten gemessen wird, die durch die vorausberechnete Regelzykluszeit und um den Korrekturwert korrigiert, vorgegeben werden. Für die Erfindung reicht es aus den Strom nur zu diesen Zeitpunkten zu messen, was mit kostengünstigen AD-Wandlern möglich ist.In this regard, there is a particular advantage that, with this method, the current through the measuring resistor is measured at predetermined times that are predetermined by the precalculated control cycle time and corrected by the correction value. For the invention it is sufficient to measure the current only at these points in time, which is possible with inexpensive AD converters.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Prinzipschaltbild eines Schaltnetzgerätes; -
2 ein Prinzipschaltbild einer Halbbrücken-PFC-Schaltung mit einem Halbleiterschalter; -
3 den Stromverlauf durch die Induktivität der Halbbrücken-PFC-Schaltung gem.2 und den durch die Drain-Source-Kapazität des Halbleiterschalters S bedingten Spannungsverlauf am Halbleiterschalter S bei Ansteuerung des Halbleiterschalter S bei Erreichen von Stromschwellen im Stromverlauf; -
4 ein Prinzipschaltbild einer Halbbrücken-PFC-Schaltung mit zwei Halbleiterschaltern; -
5 den Stromverlauf durch die Induktivität der Halbbrücken-PFC-Schaltung gem.4 und den durch die Drain-Source-Kapazität des Halbleiterschalters S1 bedingten Spannungsverlauf am Halbleiterschalter S1 bei Ansteuerung der Halbleiterschalter S1 und S2 bei Erreichen von Stromschwellen im Stromverlauf; -
6 ein Prinzipschaltbild einer zweistufigen Halbbrücken-PFC-Schaltung mit jeweils zwei Halbleiterschaltern pro Hochsetzstellerstufe und Polwende-Schaltung; -
7 ein Prinzipschaltbild einer zweistufigen Halbbrücken-PFC-Schaltung mit jeweils zwei Halbleiterschaltern, wobei die Polwende-Schaltung mit Dioden realisiert wird; -
8 ein Blockschaltbild einer Signalerzeugungseinheit der Halbbrücken-PFC-Schaltung; -
9 die Art der Ansteuersignalerzeugung der Halbbrücken-PFC-Schaltung gem.7 bei positiver Halbwelle der Eingangsspannung; und -
10 die Art der Ansteuersignalerzeugung der Halbbrücken-PFC-Schaltung gem.7 bei negativer Halbwelle der Eingangsspannung.
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1 a schematic diagram of a switching power supply; -
2 a schematic diagram of a half-bridge PFC circuit with a semiconductor switch; -
3 the current flow through the inductance of the half-bridge PFC circuit acc.2 and the voltage curve at the semiconductor switch S caused by the drain-source capacitance of the semiconductor switch S when the semiconductor switch S is driven when current thresholds are reached in the current curve; -
4 a schematic diagram of a half-bridge PFC circuit with two semiconductor switches; -
5 the current flow through the inductance of the half-bridge PFC circuit acc.4 and the voltage curve at the semiconductor switch S1 caused by the drain-source capacitance of the semiconductor switch S1 when the semiconductor switches S1 and S2 are driven when current thresholds are reached in the current curve; -
6 a basic circuit diagram of a two-stage half-bridge PFC circuit with two semiconductor switches per step-up converter stage and polarity reversal circuit; -
7 a basic circuit diagram of a two-stage half-bridge PFC circuit, each with two semiconductor switches, the polarity reversing circuit being implemented with diodes; -
8th a block diagram of a signal generation unit of the half-bridge PFC circuit; -
9 the type of drive signal generation of the half-bridge PFC circuit acc.7 with a positive half-cycle of the input voltage; and -
10 the type of drive signal generation of the half-bridge PFC circuit acc.7 in the case of a negative half-cycle of the input voltage.
Die vorliegende Beschreibung veranschaulicht die Prinzipien der erfindungsgemäßen Offenbarung. Es versteht sich somit, dass Fachleute in der Lage sein werden, verschiedene Ausführungen zu konzipieren, die zwar hier nicht explizit beschrieben werden, die aber Prinzipien der erfindungsgemäßen Offenbarung verkörpern und in ihrem Umfang ebenfalls geschützt sein sollen.This description illustrates the principles of the inventive disclosure. It is thus understood that those skilled in the art will be able to conceive various implementations which, while not explicitly described herein, embody principles of the inventive disclosure and are intended to be protected within their scope.
Wie beschrieben, gibt es den Ansatz eine PFC-Schaltung im Boundary Conduction Mode (BCM) zu betreiben. Dabei wird die Zeit ton zum wiederholten Aufmagnetisieren der Induktivität L, über eine Sinushalbwelle der Netzwechselspannung konstant gehalten. Diese Zeit ist proportional zur momentanen Leistungsabgabe des Schaltnetzgerätes und wird von einem Spannungsregler vorgegeben, der die Ausgangsspannung der Schaltung, also z.B. 400 V, konstant halten soll.As described, there is the approach of operating a PFC circuit in Boundary Conduction Mode (BCM). The time t on for the repeated magnetization of the inductance L is kept constant over a sine half-wave of the mains AC voltage. This time is proportional to the instantaneous power output of the switched-mode power supply and is specified by a voltage regulator, which is intended to keep the output voltage of the circuit,
Zusätzlich muss noch die Zeit zum Abmagnetisieren der Induktivität L eingestellt werden. Dies geschieht nach der Lösung gemäß einer parallelen Patentanmeldung der Anmelderin P-2020-0136-DE dadurch, dass der Zeitpunkt an dem der zweite Stromschalter abschalten soll, vorausberechnet wird und die Zeit zum Abmagnetisieren entsprechend eingestellt wird.In addition, the time for demagnetizing the inductance L must be set. According to the solution according to a parallel patent application by the applicant P-2020-0136-DE, this occurs in that the point in time at which the second current switch is to switch off is precalculated and the time for demagnetization is set accordingly.
Dabei berechnet sich die Abmagnetisierungszeit (Off-Zeit), in der der erste Stromschalter S1 geöffnet und der zweite S2 geschlossen ist, wie folgt aus der Zeit ton zum Aufmagnetisieren:
Bei einer mehrstufigen aktiven PFC-Schaltung muss diese Lösung angepasst werden. Denn es gibt, wie eingangs erläutert, die Problematik, dass sich die Ripple-Ströme verstärken würden, wenn die Hochsetzstellerstufen mit den gleichen Ansteuersignalen ohne Phasenunterschied geschaltet werden.This solution must be adapted for a multi-stage active PFC circuit. Because, as explained at the outset, there is the problem that the ripple currents would increase if the step-up converter stages are switched with the same drive signals without a phase difference.
Die
Die Leitung, in die die Drosselspule L1b geschaltet ist, geht an einen Kontenpunkt P1b, der einerseits mit dem Drain-Ausgang des zweiten Halbleiterschalters S2b in Verbindung steht. Andererseits steht der Knotenpunkt P1b mit dem Source-Eingang des ersten Halbleiterschalters S1b in Verbindung. Auch diese Halbleiterschalter S1b und S2b sind als Feldeffekttransistoren des Typs nMOSFET ausgeführt. Stattdessen könnten für alle oder gewählte Halbleiterschalter andere Halbleiterschalter, wie bipolare Transistoren, Thyristoren oder IGBT's eingesetzt werden. Das Ansteuersignal CTRLB1 wird an das Gate des Feldeffekttransistors S1b angelegt. Das Ansteuersignal CTRLB2 wird an das Gate des Feldeffekttransistors S2b angelegt. Das genaue Timing dieser Ansteuersignale wird in einer Digitalschaltung berechnet, die in
Am Ausgang der Halbbrücken-PFC-Schaltung 100 ist ein Siebkondensator C1 angeschaltet, der während der Durchschaltphase der Halbleiterschalter S1a und S1b aufgeladen wird und dem nachfolgenden Gleichstromsteller des Schaltnetzgerätes eine hohe Spannung von z.B. 400 V zur Verfügung stellt. Der Siebkondensator C1 hat z.B. eine Kapazität von 600 µP. Der Strom, der bei geöffnetem Halbleiterschalter S1a und S1b in umgekehrter Richtung zum Entladen der Transistorkapazität von Halbleiterschalter S2a und S2b fließt, fließt durch den Messwiderstand R1a und R1b, der im unteren Schaltzweig der Reihenschaltung der beiden Halbleiterschalter S1a, S2a und S1b, S2b vorgesehen ist. Mit diesem Stromfluss wird also die Transistorkapazität des jeweils in einer Hochsetzstellerstufe HSa, HSb enthaltenen unteren Halbleiterschalters S2a, S2b entladen, was für ein möglichst verlustloses Schalten nötig ist. Um dies zu erzielen, ist zunächst die messtechnische Erfassung des Stromflusses erforderlich. Deshalb wird der Spannungsabfall über den Messwiderstand R1a erfasst. Dies wird so gemacht, dass die Spannungen an den Kontenpunkten P3a und P4a zu Eingängen einer Signalanpassungsschaltung MEa geführt wird. In der Signalanpassungsschaltung werden die Messsignale verstärkt, gefiltert und es wird über einen Spannungsteiler die Differenzspannung gebildet, die dann an einen A/D-Eingang der Digitalschaltung 110 geführt wird. Genauso wird der Spannungsabfall über den Messwiderstand R1b der zweiten Hochsetzstellerstufe HSb erfasst. Eine Polwendeschaltung besteht aus den beiden Halbleiterschaltern S3 und S4. Es handelt sich z.B. ebenfalls um nMOS-Feldeffekttransistoren. Der Knotenpunkt P2, an den beide Transistoren geschaltet sind, ist mit der Rückleitung zur Eingangswechselspannungsquelle ACin verbunden. Beide Halbleiterschalter S3 und S4 dienen der Umpolung der Schaltung. Für die positive Halbwelle der Eingangsspannung wird S4 gesperrt und S3 leitend geschaltet. Für die negative Halbwelle der Eingangsspannung wird S3 gesperrt und S4 leitend geschaltet. Die Schaltsignale CTRL3 und CTRL4 werden daher mit der 50 Hz Netzfrequenz erzeugt. Die anliegende Eingangswechselspannung wird ebenfalls erfasst. Zur Signalanpassung dient die Signalanpassungsschaltung ME1. Das Differenzsignal wird einem weiteren A/D-Eingang der Signalerzeugungseinheit 110 zugeführt. Die aufwärts gewandelte Ausgangsspannung Vout wird auch erfasst. Zur Signalanpassung dient die Signalanpassungsschaltung ME2. Die messtechnisch angepasste Ausgangsspannung Vout wird einem weiteren A/D-Eingang der Signalerzeugungseinheit 110 zugeführt.At the output of the half-
Die
Mit der Schaltung gem.
Dabei wird die Zeit Ton, die zum Zerhacken der Eingangsspannung mit ca. 100 kHz angesetzt wird, über eine Sinushalbwelle der Netzspannung konstant gehalten. Diese Zeit entspricht der Zeit zum jeweiligen Aufmagnetisieren der Induktivität L pro Regelvorgang. Wie beschrieben, enthält die PFC-Schaltung einen Stromregelkreis der die Aufgabe hat, den Augenblickswert des Eingangsstromes IL(t) (Drosselstrom) proportional zum Augenblickswert der Eingangsspannung Vin(t) zu halten. Das geschieht durch Variation der Regelzykluszeit. So kann dann der Leistungsfaktor nahe bei Eins gehalten werden. Diese Zeit ist proportional zur Leistung und wird von einem Spannungsregler vorgegeben, der die Ausgangsspannung der Schaltung z.B. auf 400 V konstant halten soll.The time Ton, which is set at approx. 100 kHz for chopping the input voltage, is kept constant over a sine half wave of the mains voltage. This time corresponds to the time required to magnetize the inductance L per control process. As described, the PFC circuit contains a current control loop which has the task of keeping the instantaneous value of the input current I L (t) (choke current) proportional to the instantaneous value of the input voltage V in (t). This is done by varying the control cycle time. In this way, the power factor can then be kept close to one. This time is proportional to the power and is specified by a voltage regulator, which is intended to keep the output voltage of the circuit constant at 400 V, for example.
Um die Zeit zum Abmagnetisieren der Drosselspule L einzustellen, wird bei der parallelen Patentanmeldung der Anmelderin der Zeitpunkt, an dem der erste Halbleiterschalter S1a, S1b abschalten soll, vorausberechnet und diese Berechnung mit Hilfe eines zusätzlichen Stromregelvorgangs korrigiert. Diese Vorausberechnung und Korrektur kann basierend auf der positiven Eingangsspannung (positive Halbwelle) oder der negativen Eingangsspannung (negative Halbwelle) durchgeführt werden, denn die notwendige Information, um die Stromschwellen ausregeln zu können, ist in beiden Fällen enthalten. In order to set the time for demagnetizing the choke coil L, the time at which the first semiconductor switch S1a, S1b is to switch off is precalculated in the applicant's parallel patent application and this calculation is corrected with the aid of an additional current control process. This pre-calculation and correction can be carried out based on the positive input voltage (positive half-cycle) or the negative input voltage (negative half-cycle), because the necessary information to be able to correct the current thresholds is contained in both cases.
Allerdings bezieht sich die Lösung in der parallelen Patentanmeldung nur auf einen Aufwärtswandler mit einer Hochsetzstellerstufe.However, the solution in the parallel patent application relates only to a step-up converter with a step-up converter stage.
Bei dem einstufigen Aufwärtswandler wird die Aufmagnetisierungszeit und die Abmagnetisierungszeit in der integrierten Schaltung 110 vorausberechnet. Die Regelzykluszeit der Hochsetzstellerstufe wird dabei nur noch angepasst, um die untere Stromschwelle des Stromspitzenwertes zu erreichen. Die vorausberechneten Werte können deshalb für beide Hochsetzstellerstufen benutzt werden.In the case of the single-stage boost converter, the magnetization time and the demagnetization time are precalculated in the
Um den Ripple-Strom zu minimieren, ist es erforderlich die Hochsetzstellerstufen zeitlich versetzt arbeiten zu lassen. Bei einer zweistufigen Aufwärtswandler-Schaltung ist es am besten den Schaltzyklus der zweiten Stufe um 180° phasenversetzt zur ersten Hochsetzstellerstufe HSa zu betreiben. Dafür wird ein Master-Timer genutzt, der die Regelzykluszeiten für beide Stufen vorgibt. Dies kann so erfolgen, dass bei Erreichen des halben Timer-Wertes das Schaltsignal CTRL_B1 für das Einschalten des ersten Halbleiterschalters S1b der zweiten Stufe HSb zurückgesetzt wird und für die erste Hochsetzstellerstufe HSb das Schaltsignal CTRL_A1 erst zum Ende des Master-Timer-Wertes. Würde man es dabei belassen, wäre die Phasenverschiebung von 180° zwischen den Schaltzyklen vorhanden, aber es wäre nicht gewährleistet, dass der Drosselstrom in der Hochsetzstellerstufe HSb den gleichen unteren Schwellenwert hält wie der Drosselstrom in der Hochsetzstellerstufe HSa. Da das Regelverfahren der ersten Hochsetzstellerstufe HSa Einfluss nimmt auf die Periodendauer des Schaltzyklus (bzw. Abmagnetisierungszeit) und darüber die 180° Phasenverschiebung in der Ansteuerung der Halbleiterschalter gesteuert wird, wird deshalb erfindungsgemäß das Regelverfahren für die zweite Hochsetzstellerstufe HSb abgewandelt.In order to minimize the ripple current, it is necessary to allow the step-up converter stages to work at different times. In a two-stage boost converter circuit, it is best to operate the switching cycle of the second stage 180° out of phase with the first boost converter stage HSa. A master timer is used for this, which specifies the control cycle times for both stages. This can be done in such a way that when half the timer value is reached, the switching signal CTRL_B1 for switching on the first semiconductor switch S1b of the second stage HSb is reset and for the first step-up converter stage HSb the switching signal CTRL_A1 is only reset at the end of the master timer value. If you left it at that, the phase shift of 180° between the switching cycles would exist, but it would not be guaranteed that the inductor current in the boost converter stage HSb would have the same lower threshold value as the inductor current in the boost converter stage HSa. Since the control method of the first step-up converter stage HSa influences the period of the switching cycle (or demagnetization time) and the 180° phase shift in the activation of the semiconductor switches is controlled via this, the control method for the second step-up converter stage HSb is therefore modified according to the invention.
Die Signalerfassung und die Art der Regelung der zweiten Stufe sind identisch zur ersten Hochsetzstellerstufe HSa. In der zweiten Hochsetzstellerstufe HSb wird zur Ausregelung des gleichen unteren Schwellwertes des Drosselspulenstroms aber nicht Einfluss auf die Periodendauer genommen, sondern auf die Aufmagnetisierungszeit dieser Stufe. So wird also die Ausgangsgröße des Reglers für die Hochsetzstellerstufe HSb zu der vorausberechneten Aufmagnetisierungszeit für diese Stufe hinzuaddiert oder subtrahiert, je nachdem welches Vorzeichen die Regelgröße des Reglers hat. Der untere Schwellwert kann so ebenfalls erreicht werden ohne Anpassung der Regelzykluszeit.The signal detection and the type of control of the second stage are identical to the first step-up converter stage HSa. In the second step-up converter stage HSb, however, in order to regulate the same lower threshold value of the inductor coil current, it is not the period duration that is influenced, but rather the magnetization time of this stage. So the output variable of the controller for the step-up converter stage HSb is added to or subtracted from the precalculated magnetization time for this stage, depending on the sign of the controlled variable of the controller. The lower threshold value can also be reached in this way without adjusting the control cycle time.
Mit dem Regler werden die Ansteuersignale CTRL_A1 und CTRL_A2 für die Halbleiterschalter S1a und S2a der ersten Hochsetzstellerstufe HSa und CTRL_B1 und CTRL_B2 für die Halbleiterschalter S1b und S2b der zweiten Hochsetzstellerstufe HSb 100 erzeugt. Das Blockschaltbild enthält die folgenden Komponenten: Mit der Bezugszahl 111 sind drei Subtraktionsstufen bezeichnet. In der ersten Subtraktionsstufe 111 wird die Ausgangsspannung Vout von der Referenzspannung VOut_Ref abgezogen. Die Ausgangsspannung soll möglichst konstant gehalten werden auf den Wert von 400 V. Es wird damit in der ersten Subtraktionsstufe 111 die Abweichung von dem Sollwert bestimmt. Je nach Belastung des Schaltnetzgerätes kann die Zwischenkreisspannung von 400 V variieren und es muss nachgeregelt werden. In der zweiten Subtraktionsstufe 111 wird von dem festgelegten Stromschwellen-Referenzwert INeg_Ref der aktuell gemessene Strom Ib_neg durch den Messwiderstand R1b abgezogen. Die Messung des Stroms findet dabei immer zu den vorausberechneten und korrigierten Zeitpunkten statt. Es müssen keine weiteren Strommesswerte erfasst werden. Somit wird in dieser Subtraktionsstufe 111 die jeweilige Abweichung Ierr von dem Sollwert Iref bestimmt. Das ist die wesentliche Information für die nachfolgende Regelungsstufe 113b, in der die Korrektur TP_Offset für die vorausberechnete Periodendauer TP des jeweiligen Regelzyklus berechnet wird. Dafür kann z.B. ein PI-Regler oder PID-Regler benutzt werden. Je nach Anforderung, wie schnell die Differenz ausgeregelt werden soll, kann auch ein anderer Regler eingesetzt werden. Die Regelungsstufe 113b gibt den Korrekturwert TP_Offset an die nachgeschaltete Master-Zeitgebereinheit 116 aus. Der Master-Zeitgebereinheit 116 wird zusätzlich auch die Information über die berechnete Regelzykluszeit TP geliefert. Diese wird in der Berechnungseinheit 114 berechnet, der dafür auch die berechnete Aufmagnetisierungszeit Ton an zugeführt wird. Diese Information Ton wird von der Regelungsstufe 112 geliefert. Diese Zeit Ton wird für die positive Halbwelle konstant gehalten. Es handelt sich deshalb um eine Regelstufe, die den Stellwert nur relativ langsam nachregelt. Es hat sich gezeigt, dass dafür sogar ein 10 Hz PI-Regler ausreicht. Die Aufmagnetisierungszeit Ton kann mit Hilfe der Formel
Die Berechnungseinheit 114 berechnet die Regelzykluszeit nach der Formel
Die Master-Zeitgebereinheit 116 entspricht einer programmierbaren ZeitgeberEinheit, die jeweils nach Ablauf der eingestellten Zeiten ein Ereignis (Event) ausgibt. Man könnte das Ereignis auch in Form eines generierten Signales ausgeben. In der Digitaltechnik kann das Ereignis auch in Form eines Software-Ereignisses ausgegeben werden, durch das ähnlich wie bei einem per Software generierten Interrupt eine bestimmte Programmroutine aufgerufen wird. In der Master-Zeitgebereinheit 116 wird ein Timer gesetzt, mit dem die Regelzykluszeit für die Schaltvorgänge in beiden Hochsetzstellerstufen HSa und HSb gebildet wird. Gleichzeitig wird mit diesem Timer auch der Versatz von 180° Phasendifferenz zwischen den Ansteuerungen der Halbleiterschalter in den beiden Hochsetzstellerstufe HSa und HSb gesteuert.The
Von der Regelungsstufe 113a wird eine Regelgröße berechnet, die der Korrektur TOn_Offset der Aufmagnetsierungszeit Ton entspricht. Auch diese Korrektur wird pro Regelzyklus neu berechnet, also mit einer Frequenz von ca. 100 kHz.A controlled variable is calculated by the
In der Zeitgebereinheit 115b wird ein Timer gesetzt, der die Aufmagnetsierungszeit Ton für die Hochsetzstellerstufe HSb bestimmt. Dieser Timer wird ebenfalls pro Regelzyklus, also mit ca. 100 kHz neu gesetzt. In der Zeitgebereinheit 115a wird ein Timer gesetzt, der die Aufmagnetsierungszeit für die Hochsetzstellerstufe HSa bestimmt. Dieser Timer wird pro Regelzyklus, also mit ca. 100 kHz neu gesetzt. Die Einstellung dieses Timers unterscheidet sich von der Einstellung des Timers in der Zeitgebereinheit 115b, denn es wird statt der Regelzykluszeit die Aufmagnetisierungszeit angepasst um die untere Stromschwelle auszuregeln. Dafür wird die Differenz gebildet zwischen Aufmagnetisierungszeit Ton und Korrekturwert TOn_Offset in einer weiteren Subtraktionsstufe 111.A timer is set in the
Die eigentliche Signalerzeugung für die Ansteuersignale CTRL_A1, CTRL_A2 und CTRL_B1, CTRL_B2 geschieht in der PWM-Signalerzeugungseinheit 119. The actual signal generation for the control signals CTRL_A1, CTRL_A2 and CTRL_B1, CTRL_B2 takes place in the PWM
Mit der Zustandsmaschine 117 wird der Zustand der Eingangsspannung erfasst. Diese wird mit einem Zeitraster von 25 kHz abgetastet. Die Zustandsmaschine 117 ermittelt, ob die positive Halbwelle vorliegt oder die negative Halbwelle der Eingangsspannung. Der ermittelte Zustand wird an eine Konfigurationseinheit 118 weitergeleitet, die in Abhängigkeit des Zustandes entsprechende Registereinstellungen für die verschiedenen Blöcke des integrierten Schaltkreises 110 vornimmt. Zumindest die PWM-Signalerzeugungseinheit 119 muss umkonfiguriert werden, denn bei negativer Eingangsspannung sind die Funktionen der Halbleiterschalter S1 und S2 vertauscht.The state of the input voltage is detected with the
Die
Die Master-Zeitgebereinheit 116 wird pro Regelzyklus auf den Maximalwert TP + TP_Offset gesetzt. Wenn die Hälfte dieses Wertes erreicht ist, wird die Abmagnetisierungszeit für die erste Hochsetzstellerstufe HSa beendet. Wenn der Maximalwert erreicht ist, wird die Abmagnetisierungszeit für die zweite Hochsetzstellerstufe HSb beendet. So arbeiten beide Hochsetzstellerstufen um 180° versetzt.The
Die Zeitgebereinheit 115a bestimmt die Zeiten der Schaltvorgänge zum Aufmagnetisieren der Drosselspule L1a in der Hochsetzstellerstufe HSa während der positiven Halbwelle der Eingangs-Wechselspannung ACin. Das Ansteuersignal mit dem der Halbleiterschalter S2a für die Aufmagnetisierungsphase geschaltet wird, ist in
CMP4=TP+TP_Offset-ADC_preTime allerdings bezogen auf den Zählerstand des Timers des Zeitgebereinheit 115b. Dabei wird der jeweilige AD-Wandler an den vorausberechneten und korrigierten Zeitpunkten zur Messwerterfassung getriggert. Durch die Zeit ADC_preTime wird sichergestellt, dass nicht während eines Umschaltvorgangs der Strom gemessen wird. Dadurch sind die Erfassungszeitpunkte gegeneinander versetzt. Die Messwerte dienen als Istwerte für die Berechnungen für den nächsten Regelzyklus.The
CMP4=T P +T P_Offset -ADC_preTime, however, related to the count of the timer of the
Der berechnete Timerwert CMP3= Ton+TOn_Offset berücksichtigt auch die Zeit delay. Zwischen Abschalten der Aufmagnetisierungsphase und Starten der Abmagnetisierungsphase wird die Zeit delay1 abgewartet. Die Abmagnetisierungsphase dient zum Abmagnetisieren der Drosselspule L1a sowie zum Entladen der Transistorkapazität von Halbleiterschalter S2a mit dem vorausberechneten Wert. Die Abmagnetisierungsphase ist auch variabel, weil die Dauer der Regelzykluszeit vorgegeben ist und die Aufmagnetisierungszeit variabel ist. Die Abmagnetisierungsphase wird durch Erzeugen des Ansteuersignals CTRL_A1 bestimmt.The calculated timer value CMP3= T on +T On_Offset also takes into account the time delay. The time delay1 is awaited between switching off the magnetization phase and starting the demagnetization phase. The demagnetization phase serves to demagnetize the choke coil L1a and to discharge the transistor capacitance of the semiconductor switch S2a with the precalculated value. The demagnetization phase is also variable because the duration of the control cycle time is predetermined and the magnetization time is variable. The demagnetization phase is determined by generating the control signal CTRL_A1.
Die Zeitgebereinheit 115b bestimmt die Zeiten der Schaltvorgänge zum Aufmagnetisieren der Drosselspule L1b in der Hochsetzstellerstufe HSb. Die Hochsetzstellerstufe HSb wird so betrieben, wie in der parallelen Patentanmeldung erläutert. Die Aufmagnetisierungszeit wird vorausberechnet und bleibt während der Zeit, wo die positive Halbwelle der Eingangswechselspannung anliegt konstant. Die untere Stromschwelle wird durch Variation der Abmagnetisierungszeit ausgeregelt. Die Aufmagnetisierungsphase wird mit Erreichen des Timerwertes CMP1=delay gestartet. Hier wird das Ansteuersignal CTRL_B2 gestartet. Mit Erreichen des vorausberechneten Wertes CMP3= Ton wird die Aufmagnetisierungsphase beendet. Sodann wird die Wartezeit delay3 abgewartet, bevor die Abmagnetisierungsphase mit Einschalten des Ansteuersignales CTRL_B1 gestartet wird. Diese Abmagnetisierungsphase wird variabel beendet indem die Master-Zeitgebereinheit 116 die Regelzykluszeit variabel beendet. Zum Einsatz kommt dabei der Korrekturwert, um den die nach dem vorhergehenden Regelvorgang vorausberechnete Zeit TP pro Regelzyklus korrigiert wird. Nach Abschaltung des Ansteuersignales CTRL_B1 wird die Wartezeit delay4 abgewartet, bevor der Timer der Zeitgebereinheit 115b zurückgesetzt wird. Für die Bestimmung der Aufmagnetisierungsphase wird das Ansteuersignal CTRL_B2 wie dargestellt erzeugt.The
Die Offenbarung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Es gibt Raum für verschiedene Anpassungen und Modifikationen, die der Fachmann aufgrund seines Fachwissens als auch zu der Offenbarung zugehörend in Betracht ziehen würde.The disclosure is not limited to the exemplary embodiments described here. There is room for various adaptations and modifications that those skilled in the art would contemplate based on their skill in the art as well as belonging to the disclosure.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Netzfilterline filter
- 22
- Gleichrichterrectifier
- 33
- Siebkondensatorfilter capacitor
- 44
- Schaltstufeswitching stage
- 55
- Übertragertransmitter
- 66
- Reglercontroller
- 77
- Optokoppleroptocoupler
- 1010
- Gleichrichtungsstuferectification stage
- 2020
- GleichstromstellerDC chopper
- 3030
- Leistungsübertragungsstufepower transfer stage
- 4040
- Glättungsstufesmoothing level
- 5050
- Regelstufecontrol level
- 6060
- Potenzialtrennungelectrical isolation
- 7070
- Steuerungsteering
- 100100
- Aufwärtswandlerboost converter
- 110110
- Signalerzeugungseinheitsignal generation unit
- 111111
- Subtraktionsstufensubtraction levels
- 112112
- Spannungsregelungsstufevoltage regulation stage
- 113a113a
- 1. Stromregelungsstufe1. Current control level
- 113b113b
- 2. Stromregelungsstufe2. Current control level
- 114114
- Berechnungseinheitcalculation unit
- 115a115a
- 1. Zeitgebereinheit1. Timer unit
- 115b115b
- 2. Zeitgebereinheit2. Timer unit
- 116116
- Master-Zeitgebereinheitmaster timer unit
- 117117
- Eingangswechselspannungs-ErfassungseinheitAC input voltage detection unit
- 118118
- Konfigurationseinheitconfiguration unit
- 119119
- PWM-SignalerzeugungseinheitPWM signal generation unit
- C1C1
- Siebkondensatorfilter capacitor
- CTRL_A1, CTRL_A2CTRL_A1, CTRL_A2
- Ansteuersignale Hochsetzstellerstufe AControl signals boost converter stage A
- CTRL_B1, CTRL_B2CTRL_B1, CTRL_B2
- Ansteuersignale Hochsetzstellerstufe BControl signals boost converter stage B
- DD
- Diodediode
- D1, D2D1, D2
- Gleichrichter-Dioderectifier diode
- DSPDSP
- digitaler Signalprozessordigital signal processor
- delay, delay1, delay2, delay3, delay4delay, delay1, delay2, delay3, delay4
- Wartezeitenwaiting times
- CoscCosc
- Transistorkapazitättransistor capacitance
- HSa, HSbHSa, HSb
- Hochsetzstellerstufenboost converter stages
- IbIb
- gemessener Strommeasured current
- Ia_sense, Ib_senseIa_sense, Ib_sense
- Leitungen zur StrommessungLines for current measurement
- ILIL
- Spulenstromcoil current
- L1a, L1bL1a, L1b
- Drosselspulenchoke coils
- ME1, ME2, MEa, MEbME1, ME2, MEa, MEb
- Signalanpassungseinheitsignal conditioning unit
- P1a, P1b, P2, P3a, P3bP1a, P1b, P2, P3a, P3b
- Knotenpunktenodes
- R1a, R1bR1a, R1b
- Messwiderstandmeasuring resistor
- S1a, S2a, S1b, S2bS1a, S2a, S1b, S2b
- Halbleiterschaltersemiconductor switch
- SNGSNG
- Schaltnetzgerätswitching power supply
- tOn, TOnton, ton
- Aufmagnetisierungszeitmagnetization time
- tOfftOff
- Abmagnetisierungszeitdemagnetization time
- tRestRes
- Resonanzschwingungszeitresonant vibration time
- TOn_A_OffsetTOn_A_Offset
- Korrekturwert AufmagnetisierungszeitCorrection value magnetization time
- TP_OffsetTP_Offset
- Korrekturwert AbmagnetisierungszeitCorrection value demagnetization time
- TPTP
- Regelzykluszeitcontrol cycle time
- Vinvintage
- Eingangsspannunginput voltage
- VoutVout
- Ausgangsspannungoutput voltage
- Vout_refVout_ref
- AusgangsspannungsreferenzwertOutput voltage reference value
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents cited by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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- US 8026704 B2 [0012]US 8026704 B2 [0012]
- US 8363434 B2 [0015]US 8363434 B2 [0015]
Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent Literature Cited
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- „LED Application Design Using BCM Power Factor Correction (PFC) Controller for 100W Lightning System‟; AN-9731, 02011 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 1.0.0, 3/24/11 [0014]"LED Application Design Using BCM Power Factor Correction (PFC) Controller for 100W Lightning System"; AN-9731, 02011 Fairchild Semiconductor Corporation Rev.1.0.0, 3/24/11 [0014]
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-
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CN117411307B (en) * | 2023-10-23 | 2024-05-24 | 哈尔滨工业大学 | Single-stage bridgeless PFC converter suitable for wide intermediate frequency AC/DC power supply system |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R082 | Change of representative |
Representative=s name: HARNASCH, RUEDIGER, DR., DE |